その場での機械的特性評価のためのMEMS

その場での機械的特性評価のためのMEMSとは、ナノワイヤ、ナノロッド、ウィスカー、ナノチューブ、薄膜などのナノスケール試料の機械的特性（ヤング率や破壊強度など）を測定するために使用されるマイクロ電気機械システム（MEMS）を指します。これらのシステムは、センシング機構とアクチュエーション機構がマイクロシステムに組み込まれている、またはマイクロシステムと一体化されているため、他のナノ力学試験方法とは異なり、ほとんどの場合、より高い感度と精度を実現します。

このレベルの集積化と小型化により、光学顕微鏡、走査型電子顕微鏡（SEM）、透過型電子顕微鏡（TEM）、X線装置などの高倍率装置を用いて試料の挙動を観察しながら、その場で機械的特性評価を行うことが可能になります。さらに、分光法や回折法といったこれらの装置の分析機能を利用することで、試料の特性をさらに詳細に評価し、荷重がかかって破壊に至るまでの試料の挙動を包括的に把握することができます。成熟したMEMSマイクロファブリケーション技術の発展に伴い、近年、これらのマイクロシステムを研究目的で利用する事例が増加しています。

現在進められている技術開発のほとんどは、電気的測定や熱的測定などの他の種類の測定と組み合わせた現場での機械的試験を実施すること、そして試験対象となる試料の範囲を生物学的領域にまで拡大し、細胞やコラーゲン線維などの試料を試験することを目指している。

典型的なマクロスケールでの機械的特性評価は、主に一軸引張条件下で行われます。三点曲げ試験や硬度試験など、他の機械的特性評価方法も存在しますが、一軸引張試験では、試験片の最も基本的な機械的特性、すなわち応力-ひずみ曲線を測定できます。この曲線から、ヤング率、降伏強度、破壊強度などの重要な特性を算出できます。また、靭性や延性などの他の特性も算出可能です。

ナノスケールでは、試料のサイズが小さく、測定する力や変位も小さいため、一軸試験やあらゆる機械的試験は困難です。そのため、ほとんどの試験は、原子間力顕微鏡(AFM) による三点曲げ試験、SEM や TEM による曲げ共振試験、ナノインデンターによる圧縮試験など、利用可能なナノスケール科学ツールを使用して、一軸引張以外の構成で行われます。近年、結果が完全に明確ではないことが判明しました。これは、異なる研究者が同じ材料に対して同じ特性の異なる値を得たという事実によって例示されます。^{[ 1 ]}このことが、個々のナノスケール要素に対して引張試験を実行できる MEMS の開発を促しました。

ナノメカニカル試験への関心は、当初、MEMSの製造に使用される材料の特性評価の必要性によって促進されました。ジョンズ・ホプキンス大学のウィリアム・N・シャープは、多結晶シリコンのマイクロスケール試料の試験に関する先駆的な研究を行いました。^{[ 2 ]}初期の開発の一部は、標準的な機械加工技術で製造された万能試験機 の小型版で構成されていました。しかし、試料の把持機構とミクロン スケールでの材料の力学に関する重要な貢献と洞察が得られました。同様に、ノースウェスタン大学のホラシオ・D・エスピノサは、膜のたわみ実験を開発しました。^{[ 3 ]}これは、MEMS レベル^{[ 4 ]}だけでなく、薄膜試料にも使用されました。最新の研究では、薄い金属自立膜におけるサイズ スケールの塑性に関する最初の実験的証拠が明らかになりました。^{[ 5 ]}その後、集束イオンビームによるマイクロ加工サンプルのナノインデンテーションを使用して、単結晶柱でサイズ効果の研究が行われました。^{[ 1 ]}

その後、イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校のタヘル・サイフは、マイクロ加工ステージの開発に貢献したと評価されている。^{[ 6 ]}彼のグループは、薄膜のその場SEMおよびTEMによるいくつかの結果を実証した^{[ 7 ]。}これには、外部アクチュエーションとセンシングを使用したセットアップであるが、電気的および機械的テストを同時に行うためのステージも含まれる。^{[ 8 ]} MEMSと電子機器の統合における大きなブレークスルーは、ノースウェスタン大学のホラシオ・D・エスピノサとそのグループによって達成された。彼らは、荷重の電子測定のための容量センシングと、試料の歪みのための熱アクチュエーションを1つのチップに組み込んだ真のMEMSシステムを設計および開発した。^{[ 9 ]このシステムは、透過型電子顕微鏡内で動作させることができた。MEMSベースのプラットフォームは、ポリシリコンサンプル[ 10 ]} 、多層カーボンナノチューブ^{[ 11 ]}、そして最近では金属^{[ 10 ]}および半導体ナノワイヤの研究に適用された。 ^{[ 12 ] [ 13 ]} 特に、この装置を用いてカーボンナノチューブの理論的な強度が初めて実験的に測定された。^{[ 11 ]}

これらの先駆的な研究に続いて、他の研究グループも機械的試験用の独自の MEMS の開発に取り組んできました。重要な例としては、ポリシリコンサンプルの試験を専門とするサンディア国立研究所の deBoer グループが挙げられます。^{[ 14 ]}ローザンヌ連邦工科大学 (EPFL) では、ミヒラーのグループがシリコン・オン・インシュレーター技術で、エスピノーザのオリジナル設計に似た静電駆動デバイスを開発しました。^{[ 15 ]}これらのデバイスは、アスペクト比が高く、センシング構造の感度が高いという利点があります。他の研究者の中には、エスピノーザ、サイフ、ハックによって概説されたモデルに従って他のデバイスを開発した人もいます。例えば、コロラド大学ボルダー校のビクター・ブライトなどです。^{[ 16 ]}この技術は成熟度に達し、現在ではサンディア国立研究所の統合ナノテクノロジーセンター (CINT) が、ナノスケールサンプルの機械的試験に関心のある研究者向けに標準デバイスを提供しています。^{[ 17 ]}

いくつかのナノ力学的特性評価法によって、ナノスケールでの物質の特性に関する多くの結果が得られています。一貫してわかっているのは、材料の機械的特性はサイズに応じて変化するということです。金属では、弾性率、降伏強度、破壊強度はすべて増加しますが、半導体脆性材料では、材料に応じて増加または減少が観察されます。^{[ 1 ]}

機械的特性が本質的にサイズに依存するという発見は、熱特性や電気特性などの他の材料特性のサイズ依存性、および電気機械的挙動や熱機械的挙動などの結合効果に対する理論的および実験的な関心を刺激しました。特に、圧電抵抗や圧電性などの電気機械的特性の特性評価に関心が集中しています。現場試験用の MEMS の開発における現在の焦点のほとんどはこの分野にあり、Haque、Espinosa、Zhang らの例があります。^{[ 18 ]}

一方、MEMSはナノスケールでの機械的特性を評価するための実現可能な技術であることが実証されているため、この技術を他の種類の問題に応用することが求められてきました。特に、生物系は、生物系における力学を理解することが疾患の診断と治療、および新素材のエンジニアリングに応用できるため、関心を集めています。生物学的試験のサイズスケールはミクロン範囲であり、構造は通常非常に柔軟です。そのため、高い変位能力と非常に高い力分解能を備えたデバイスの開発が必要です。最近の例としては、コラーゲン線維^{[ 19 ] [ 20 ]}およびDNA束^{[ 21 ]の引張特性評価が挙げられます。}

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